CN102728423A - 一种气动阵列化细胞捕获与释放芯片及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动阵列化细胞捕获与释放芯片，由流动层和气动层组成；流动层由8个细胞微腔组成，气动层由48个“U”型气动微结构和相对应的48个保护伞状气动微结构组成，能够实现气动微结构实时动态的空间调节，进而实现阵列化细胞捕获、保护、释放及再捕获的时间与空间控制性操作。该微流控芯片涉及的细胞操作简单、快捷，且具有极强的灵活性，易于广大细胞研究人员掌握，可广泛应用于多种平行高通量与多重复式细胞操作与分析应用以及细胞样品回收再分析应用。

Description

一种气动阵列化细胞捕获与释放芯片及其操作方法

技术领域

本发明涉及微型化细胞操作技术领域的一种细胞芯片，具体涉及一种用于实时控制性细胞捕获与释放的气动阵列化细胞捕获与释放芯片及其操作方法。

背景技术

微型化细胞操作技术是有效开展生命微观世界科学探索的重要条件。微流控芯片技术，作为本世纪具有代表性的微型操作与分析平台技术之一，显示出极强的细胞精确操作能力。迄今为止，涉及微流控芯片细胞操作的方法主要包括：机械操作、微流体操作、磁学操作、光学操作、电场操作以及声学操作等。其中，机械操作依赖性细胞芯片以其制备简单、操作快捷、能够开展实时高通量且无需辅助电子仪器等优势，长期为国内外研究学者所采纳。然而，目前芯片内用于细胞研究的机械操作多属于被动式细胞操作，缺乏操作的灵活性和可逆性。常见的细胞机械定位元件（例如：微坝和微孔）由于其高度固定，细胞一旦被捕获则难以完全清除，因此无法完成细胞回收和细胞再捕获操作，即只能进行一次性细胞捕获。这样，不仅造成了芯片材料的大量消耗，同时在很大程度上也限制了所捕获细胞的后期试验研究范围。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于微流控芯片技术的气动阵列化细胞捕获与释放芯片及其操作方法。能够实现捕获微结构实时动态的空间调节，进而实现细胞捕获、保护、释放及再捕获的时间与空间控制操作。其操作简单快捷，易于广大细胞研究人员掌握。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种气动阵列化细胞捕获与释放芯片，其特征在于，由流动层和气动层组成；

所述的流动层由8个细胞微腔组成，各细胞微腔通过对称分布的微管道网络相互连接，每个细胞微腔设有进口和出口；流动层还设有一个进样入口，该进样入口通过微管道与各个细胞微腔的进口相连通。

所述的气动层由48个“U”型气动微结构和相对应的48个保护伞状气动微结构组成，其中，每6个“U”型气动微结构和相对应的6个保护伞状气动微结构构成一个阵列单元，该阵列单元与流动层的单个细胞微腔相对应，各个U”型气动微结构通过微管道网络相连接，微管道上设置进气入口；各保护伞状气动微结构也通过微管道网络相连接，微管道上同样设置进气入口。

所述的“U”型气动微结构和相对应的保护伞状气动微结构存在二维和三维的基本空间状态，即当在一定气压作用下，“U”型气动微结构和相对应的保护伞状气动微结构受到激发从而形成三维结构；当在大气压下，“U”型气动微结构和相对应的保护伞状气动微结构为二维结构；其中，“U”型三维气动微结构用于对细胞的拦截捕获操作，而三维保护伞状气动微结构用于对捕获细胞的保护，防止液流对细胞的力学作用。

本发明的气动阵列化细胞捕获与释放芯片材料为PDMS聚合物，与涂有PDMS聚合物的玻璃材料进行不可逆封接，保证芯片质量和微管道网络的独立性。

上述气动阵列化细胞捕获与释放芯片的操作方法，其特征在于，在一定流速下，将细胞悬液由流动层入口，通过均匀分布的微管道，分别灌注进入8个细胞微腔内；然后由“U”型气动微结构的进气入口给予“U”型气动微结构一定气压，使“U”型气动微结构由二维结构变为三维结构，从而形成“U”型微坝并完成对细胞的阵列式拦截捕获；

当捕获操作完成后，通过对保护伞状气动微结构的进气入口给予保护伞状气动微结构一定气压，阻断细胞微腔内液流进入“U”型气动微结构，从而保护已捕获的细胞；

当一次细胞操作与分析完成后，分别撤销施加于保护伞状气动微结构和“U”型气动微结构的气压，还原为大气压状态，从而使保护伞状气动微结构和“U”型气动微结构恢复至二维结构，进而使捕获细胞随液流排出细胞微腔。

本发明的气动阵列化细胞捕获与释放芯片，其带来的技术效果在于：可以在单个微流控芯片内连续完成细胞的捕获、保护、释放及再捕获操作。相对于以往微流控芯片内的机械操作，其在细胞操作方面具有更好的时间与空间控制性及灵活性，同时具有操作简单快捷、样品与能量低消耗等特点，能够广泛应用于多种平行高通量与多重复式细胞操作与分析应用以及细胞样品再分析应用。

附图说明

图1是本发明的气动阵列化细胞捕获与释放芯片的流动层和气动层平面结构示意图，其中标记分别表示：1表示流动层进样入口，2和3表示流动层管道出口，4和5表示气动层“U”型气动微结构的进气入口，6表示气动层的保护伞状气动微结构的进气入口。

图2是流动层中的单个细胞微腔和气动层的单组气动微结构阵列单元示意图，其中的标记21表示细胞和液流入口，22为细胞和液流出口，标记23表示气动层“U”型气动微结构的进气入口，标记24表示气动层保护伞状气动微结构的进气入口，标记25表示气动层“U”型气动微结构，标记26表示气动层保护伞状气动微结构，标记27表示流动层细胞微腔内的微柱子。

图3是未施加一定气压情况下的“U”型气动微结构示意图，其中标记31表示“U”型气动微结构的二维状态；

图4是施加一定气压情况下的“U”型气动微结构示意图，其中标记41表示“U”型气动微结构的三维状态，标记42表示施加气压的进气入口。

图5是微流控芯片内细胞进样示意图，其中标记51表示单个细胞，标记52表示二维状态的保护伞状气动微结构，标记53表示二维状态的“U”型气动微结构，标记54表示细胞进样入口，标记55表示细胞进样出口。

图6是微流控芯片内气动阵列化细胞捕获示意图，其中标记61表示已捕获的细胞团，标记62表示三维状态的“U”型气动微结构。

图7是微流控芯片内气动阵列化细胞保护示意图，其中标记71表示三维状态的保护伞状气动微结构。

图8是微流控芯片内捕获细胞的释放示意图，其中标记81表示释放的捕获细胞。

图9是微流控芯片内“U”型气动微结构捕获细胞的荧光标记图。

图10是微流控芯片内保护伞状气动微结构对微腔液流屏蔽的可视化模拟操作结果图，其中标记101表示液流屏蔽前，标记102表示液流屏蔽后0s，标记103表示液流屏蔽后0.5s,标记104表示液流屏蔽后10s,标记105表示液流屏蔽后20s,标记106表示液流屏蔽后30s,标记107表示液流屏蔽后40s，标记108表示液流屏蔽撤销，标记109表示未施加气压的保护伞状气动微结构，标记1010表示施加气压的保护伞状气动微结构，标记1011-1015表示液流扩散，标记1016表示气压撤销后的保护伞状气动微结构。

以下将结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。应当理解，这些实施例是本发明较优的例子，仅为了更进一步理解本发明，本发明不限于这些实施例。

具体实施方式

实施例1：

本实施例给出一种申请人的实验室设计并制备的气动阵列化细胞捕获与释放芯片，气动阵列化细胞捕获与释放芯片的材料选择PDMS聚合物，不可逆封接于涂有PDMS薄膜的玻璃表面。

如图1所示，该气动阵列化细胞捕获与释放芯片由流动层和气动层组成；流动层主要由8个微型细胞腔组成，8个微型细胞腔对称分布，通过对称分布管道网络相互连接，每个微型细胞腔设有进口和出口（2或3）；流动层还设有一个进样入口1，该进样入口1通过管路分别与8个微型细胞腔相连接；

气动层主要由48个“U”型气动微结构和相对应的48个保护伞状气动微结构组成，其中，每6个气动微结构和相对应的6个保护伞状气动微结构构成一个阵列单元，该阵列单元与流动层的单个细胞微腔相对应，各个U”型气动微结构由末端封闭的管道网络相连接，管道上设置进气口6；各保护伞状气动微结构也由末端封闭的管道网络连接，管道上同样设置进气口（4或5）。

如图2所示，流动层中的单个细胞微腔和气动层的单组气动微结构阵列单元，包括细胞和液流入口21，细胞和液流出口22，气动层的“U”型气动微结构25，“U”型气动微结构25有进气入口23，气动层的保护伞状气动微结构26，保护伞状气动微结构26有进气入口24，流动层的细胞微腔内的微柱子27。

因此，可同时实现48个平行细胞捕获操作。当未施加压力（0psi）时,“U”型气动微结构31呈二维形态（图3所示）；当进气入口42施加一定气压（7psi）时,“U”型气动微结构41呈三维形态（图4所示），形成“U”型微坝，便于实现细胞的陷阱式捕获操作。

实施例2：

采用实施例的气动阵列化细胞捕获与释放芯片，对A549肺癌细胞阵列化捕获与释放的操作过程是，首先对实施例1所示气动阵列化细胞捕获与释放芯片进行细胞微灌注，即通过微量注射泵将细胞密度为10⁶个/mL的细胞悬液以10μL/min的流量由芯片流动层入口1注入，细胞经均分微管道分别进入8个细胞微腔内（图5所示）；对“U”型气动微结构施加一定气压（如实施例1中所述）使其呈现为三维微坝形态，从而捕获A549肺癌细胞（如图6所示）；捕获操作完成后，对保护伞状气动微结构施加一定气压（20psi）,使其呈现为三维形态，阻止液流对捕获细胞的力学作用，实现细胞的保护（图7所示）；然后进行细胞荧光标记检测分析（图9所示）；当细胞分析完成后，撤销施加气压使其降至0psi,分别是保护伞状气动微结构和“U”型气动微结构还原为二维形态，进而是捕获的A549肺癌细胞随液流排出细胞微腔（图8所示），完成细胞的释放操作。

实施例3：

如实施例2中所述施加气压的保护伞状气动微结构对细胞微腔内液流的阻止。如图10所示，当对保护伞状气动微结构施加一定气压后，其能够完全屏蔽液流，使液流不能直接通过。通过光学检测可以发现，液流分子只能通过扩散（1011-1015）的形式与保护伞状气动微结构所保护区域进行交流。由于每一个保护伞状气动微结构对应于一个“U”型气动微结构（图2所示），因此，施加气压的保护伞状气动微结构能够阻止液流对“U”型气动微结构捕获细胞的力学作用。

Claims (4)

1.一种气动阵列化细胞捕获与释放芯片，其特征在于，由流动层和气动层组成；

所述的流动层由8个细胞微腔组成，各细胞微腔通过对称分布的微管道网络相互连接，每个细胞微腔设有进口和出口；流动层还设有一个进样入口，该进样入口通过微管道与各个细胞微腔的进口相连通；

所述的气动层由48个“U”型气动微结构和相对应的48个保护伞状气动微结构组成，其中，每6个“U”型气动微结构和相对应的6个保护伞状气动微结构构成一个阵列单元，该阵列单元与流动层的单个细胞微腔相对应，各个U”型气动微结构通过微管道网络相连接，微管道上设置进气口；各保护伞状气动微结构也通过微管道网络相连接，微管道上同样设置进气口。

2.如权利要求1所述的气动阵列化细胞捕获与释放芯片，其特征在于，所述的气动阵列化细胞捕获与释放芯片的材料选择PDMS聚合物。

3.如权利要求1所述的气动阵列化细胞捕获与释放芯片，其特征在于，所述的“U”型气动微结构和相对应的保护伞状气动微结构存在二维和三维的基本空间状态，即当在一定气压作用下，“U”型气动微结构和相对应的保护伞状气动微结构受到激发从而形成三维结构；当在大气压下，“U”型气动微结构和相对应的保护伞状气动微结构为二维结构；其中，“U”型三维气动微结构用于对细胞的拦截捕获操作，而三维保护伞状气动微结构用于对捕获细胞的保护，防止液流对细胞的力学作用。

4.权利要求1所述的气动阵列化细胞捕获与释放芯片的操作方法，其特征在于，在一定流速下，将细胞悬液由流动层入口，通过均匀分布的微管道，分别灌注进入8个细胞微腔内；然后由“U”型气动微结构的进气入口给予“U”型气动微结构一定气压，使“U”型气动微结构由二维结构变为三维结构，从而形成“U”型微坝并完成对细胞的阵列式拦截捕获；

当捕获操作完成后，通过对保护伞状气动微结构的进气入口给予保护伞状气动微结构一定气压，阻断细胞微腔内液流进入“U”型气动微结构，从而保护已捕获的细胞；

当一次细胞操作与分析完成后，分别撤销施加于保护伞状气动微结构和“U”型气动微结构的气压，还原为大气压状态，从而使保护伞状气动微结构和“U”型气动微结构恢复至二维结构，进而使捕获细胞随液流排出细胞微腔。

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